电感传感器在自动化生产线的应用

黄勇超，邓发云

电感传感器在自动化生产线的应用

黄勇超，邓发云

(广州南洋理工职业学院智能工程学院，广东 广州 510900)

电感传感器由振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成，利用电涡流效应检测金属工件，并通过黑色信号线为PLC模块提供控制信号。PLC模块分为源型和漏型两种接入方式，电感传感器分为NPN和PNP两大类型，自动化生产线选用的电感传感器类型由PLC模块接入方式决定。由于导致电感传感器检测故障的原因通常为检测距离太远，因此首先应对检测距离给予关注。

电感传感器；自动化生产线；检测

传感器技术和通信技术、计算机技术构成了工业4.0时代信息社会的三大支柱。随着物联网在工业领域的广泛应用，传感器在工业领域扮演的角色将越来越重要。传感器技术是应用于自动测控系统重要的基础技术，利用传感器在自动化生产线中感知各种工件，能将其“感受”到的工件信息变换成为电信号[1]，为自动化生产线各工序之间的协调工作保驾护航。

在自动化生产线中用于区分金属与非金属材质的传感器通常是电感传感器。由于采用非接触式的检测方式，因此电感传感器具有响应可靠、快速、使用寿命长的特点。

1　电涡流效应对线圈阻抗的影响

如将板状金属导体置于交变的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动，则会在该板状金属表面产生旋涡状感应电流。该电流称为电涡流，简称涡流。这种因置于交变磁场或切割磁力线而导致金属导体内产生电涡流的现象称为电涡流效应。

电流增大时的电涡流效应如图1所示。如线圈1的电流1为顺时针方向的电流，则当电流1增大时，用右手螺旋定则判定线圈1的磁场方向，板状金属2所处位置的磁场强度不断增强。板状金属2按照等磁场强度的原则切割磁力线，切割磁力线的方向为沿切线向外的方向，根据右手定则，可以判定感应电流即涡流2的方向为逆时针方向。用右手螺旋定则判定因电涡流2而产生的交变磁场方向。由于2的反作用一定会削弱1，使线圈的电感减小，且等效阻抗与电感成正比，因此等效阻抗将减小。若金属板离线圈距离减小，则涡电流产生磁场2的作用增强，线圈等效阻抗减小，线圈电流增大；反之，若距离增大，则线圈电流减小。通过电流表可观察电流的变化情况。

图1　电流增大时的电涡流效应

2　电感传感器的工作原理

电感传感器又称电感接近开关。工作时，电磁振荡线圈位于检测头前端，利用电涡流效应检测金属工件。电感传感器由振荡器、开关电路及放大输出电路三大部分组成。电感传感器的内部电路[2]如图2(a)所示，接通电源后，LC振荡器产生高频振荡信号，通过电感线圈向外界发出一个交变磁场。电感传感器的检测过程如图2(b)所示，当没有金属靠近时，LC振荡回路振幅等幅变化，即没有输出信号。当有金属接近并达到感应距离时，由于LC等幅振荡回路产生变化的高频磁场在金属表面形成电涡流效应，同时板状金属表面的电涡流感应出反向磁场，因此两个磁场的叠加使LC振荡的幅值和频率减小。振荡器从振荡到停振的变化被后级电路处理并转换成开关信号。经过整形和放大后，该信号被输入PLC模块的输入侧，以触发PLC模块程序并实现非接触检测。

图2　电感传感器的工作原理

3　电感传感器与PLC模块的接入关系

电感传感器是三线开关，棕色线接电源正极(24V)，蓝色线接电源负极(0V)，黑色线接PLC模块输入侧信号端(x*)。

根据输出方式不同，将电感传感器分为NPN型和PNP型两类传感器。PLC模块也有共阴极端的漏型和共阳极端的源型两类接入方式，在自动化生产线中使用的电感传感器类型应与PLC模块接入方式的匹配。以三菱FX3U为例，PLC模块接入方式与电感传感器类型如图3所示。

PLC模块漏型接入连接NPN型电感传感器如图3(a)所示，将S/S端接入直流电源DC的正极24V，COM端(共阴极公共端)接入直流电源DC的负极0V。PLC模块输入端x*接入NPN型电感传感器的NPN管集电极。电流从S/S端流入，从X*流出(电流流出为“漏”)。在电感传感器断开时，若信号线与零线间的电压是24V，则可判断PLC模块外接的是NPN型电感传感器。

图3　PLC模块接入方式与电感传感器类型

三菱FX3N的源型接入与漏型接入相反。PLC模块源型接入连接PNP型电感传感器如图3(b)所示，将S/S端接入直流电源DC的负极0V，COM端(共阳极公共端)接入直流电源DC的正极24V。将PLC模块输入端X*接入PNP型电感传感器的PNP管集电极，电流从X*流入(电流输入为“源”)，从S/S端流出。在电感传感器断开时，若信号线与零线间的电压是0V，则可判断PLC模块外接的是PNP型电感传感器。

4　电感传感器的检测故障

电感传感器的工作原理是利用电涡流效应检测工件。由于检测头输出的高频振荡电磁场较弱，且作用距离较短，因此通常会出现电感传感器检测不到工件的现象。通过调整电感传感器的检测距离可消除这种故障，一般将检测距离控制在2mm以内[3]。

如果调整检测距离以后仍未排除故障，则可用万用表检测电路接线是否因松动而导致接触不良；如果确认检测距离适宜且线路接触良好仍未排除故障，则应更换电感传感器。一般来说，电感传感器不易损坏，只需要将检测距离调整在检测范围内即可[4-7]。

5　结论

电感传感器的工作原理是利用电涡流效应对一定范围内的金属工件进行检测。电感传感器的接线方式为三线制接线，在检测头有一个高频振荡电路。当金属工件使其减振时，振幅减小，接通开关电路并将信号放大后输出给PLC模块，为PLC模块控制提供依据。PLC模块有漏型接入和源型接入两种方式，电感传感器有NPN和PNP两大类型。由PLC模块接入方式决定所用电感传感器的类型。当电感传感器出现故障时，应首先考虑检测距离是否合适，再考虑电路接线是否松动，如果故障仍未排除，那么应该更换电感传感器。

[1] 李思锐.浅析传感器在自动化生产线实训设备中的应用[J].时代农机,2018,45(8):216.

[2] 韩琳,邵忠良.可编程序控制系统设计师:S7-1200系列自动线教程[M].广州:华南理工大学出版社,2014.

[3] 李文涛,王德志.自动化生产线常见故障分析及处理[J].包头职业技术学院学报,2011,12(3):10-11.

[4] 王大朋,宋春丽.磁轴承用电感式位移传感器的研究[J].传感器与微系统,2020,39(7):28-30.

[5] 赵旭升,邓智泉,梅磊,等.永磁偏置磁轴承在线监测系统的研制[J].微特电机,2006,34(12):7-9.

[6] 王军,徐龙祥.无传感器磁轴承转子位置自检测原理研究[J].传感器世界,2004,10(11):22-24,21.

[7] 臧晓敏,王晓琳,仇志坚,等.磁轴承开关功放中电流三态调制技术的研究[J].中国电机工程学报,2004,24(9): 167-172.

Application of the inductance sensor in theautomatic production line

HUANG Yongchao, DENG Fayun

(School of Intelligent Engineering, Guangzhou Nanyang Polytechnic Vocational College, Guangzhou, Guangdong 510900, China)

The inductance sensor is composed of an oscillator, switching circuit, and amplifying output circuit, which uses eddy current effect to detect metal workpiece, and provides a control signal for the PLC module through a black signal line. There are two access modes of the active type and the leakage type for the PLC module. The inductance sensor is divided into NPN and PNP two types. The inductance sensor of the automatic production line was selected by the PLC module. The detecting fault of the inductance sensor is usually caused by detecting distance too far. Therefore, the detection distance should be paid attention to first.

inductance transducer; automatic production line; detection

TP212；TP278

A

2096–8736(2021)05–0040–03

2021年度校级科研项目：基于三菱PLC模块软件的自动化生产线控制系统应用技术研究。

黄勇超(1968—)，男，四川南充人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电路分析技术、传感器技术、电子技术等。

责任编辑：张亦弛

英文编辑：吴志立